JP4178758B2 - バルブシートの接合構造 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの機関弁などにおけるバルブシートをヘッドの開口に接合する構造に関し、特に圧接を用いて物理的に抜けない様に接合したバルブシートの接合構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にエンジンの機関弁におけるバルブシートの接合は、鉄系焼結合金などにより形成されたリング状のバルブシートを、アルミニウム合金製のシリンダヘッドの吸気ポート及び排気ポートの開口周囲の凹部に、加熱圧入することにより行われていた。
【０００３】
この加熱圧入方式では、焼きばめ等の内部応力に耐えるために、リング状のバルブシートを比較的厚肉とする必要がある。そのため、内部応力が少ない溶接等によりバルブシートを接合し、バルブシートの薄肉化を図る試みがなされている。特開平１１−５０８２３号公報に、超音波振動を印加して行う摩擦圧接を用いる方法が提案されている。また、特開平８−２９６４１７号公報や特開２０００−２６３２４１号公報に、電気抵抗溶接を用いる圧接方法が提案されている。
【０００４】
いずれの方法でも、アルミニウム合金のシリンダヘッドと鉄系焼結合金のバルブシートとの異材質間の接合であるため、接合境界部に形成される脆弱な金属間化合物や酸化皮膜により、接合強度が確保できない。そのため、バルブシート自体に、アルミニウム合金に対して拡散性を有する拡散材料を固着又は含浸させたり、ろう材を介在させたりして接合強度を確保することが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述した摩擦圧接や電気抵抗溶接によるバルブシートの接合では、比較的厚みを薄くできるなどの設計上の自由度が確保できるものの、抜け落ちを完全に防止する接合強度が確保できず、未だ実用化に至っていない。
【０００６】
本発明は前記の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、バルブシートがヘッドに対して物理的に保持される接合形状を採用することにより、接合強度を確保するとともに、設計自由度を向上させたバルブシートの接合構造を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成する第１の発明に係るバルブシートの接合構造は、軟質金属製ヘッドの開口にリング状の硬質金属製バルブシートを圧接したバルブシートの接合構造であって、前記バルブシートの外周に縮径部を設け、この縮径部に圧接時に生じる前記軟質金属の固相流動体が充填され固化して成るものである。この第１の発明によれば、圧接時に軟質金属のヘッドに生じる固相流動体がリングの縮径部に流れ込み、縮径部が軟質金属の固相流動体で隙間無く充填され、この固相流動体が固化するとバルブシートはヘッド側に物理的に固定される。
【０００８】
第２の発明に係るバルブシートの接合構造は、第１の発明において、前記縮径部に充填された固相流動体が反ヘッド側に露出している。この第２の発明によれば、反ヘッド側に露出している固相流動体の存在によって、縮径部に固相流動体で充填されていることが確認できる。この固相流動体は圧接後のヘッド及びバルブシートの形状加工時に露出するものであってもよい。
【０００９】
第３の発明に係るバルブシートの接合構造は、第２の発明において、前記縮径部に充填された前記固相流動体が楔状となっている。この第３の発明によれば、バルブシートが楔状の固相流動体によってヘッド側に強固に接合される。
【００１０】
第４の発明に係るバルブシートの接合構造は、第１〜３のいずれかの発明において、前記縮径部は、前記バルブシートの最大外径より反ヘッド側に向かって縮径するものである。この第４の発明によれば、最大外径を乗り越えて固相流動体が縮径部に流れ込み、強固な抜け止めが形成される。この最大外径は圧接後のバルブシートの形状加工時に現れるものであってもよい。
【００１１】
第５の発明に係るバルブシートの接合構造は、第１の発明において、前記バルブシートのヘッド側底面の外周に傾斜部が設けられている。この第５の発明によれば、傾斜部に沿って軟質金属の固相流動体が縮径部に向かって押し出されるように流れ込む。
【００１２】
第６の発明に係るバルブシートの接合構造は、第５の発明において、前記バルブシートのヘッド側底面の外周に傾斜部が設けられている。この第６の発明によれば、圧接時の推力又は押圧力がそれほど大きくなくても、ヘッド側に固相流動体を形成し始める。
【００１３】
第７の発明に係るバルブシートの接合構造は、第１〜６のいずれかの発明において、前記固相流動体は、前記バルブシートを回転させながら前記ヘッドに向けて加圧する摩擦圧接により形成されたものである。この第７の発明によれば、摩擦圧接により、バルブシートのヘッドへの物理的接合に十分な固相流動体が形成される。
【００１４】
第８の発明に係るバルブシートの接合構造は、第１〜７のいずれかの発明において、前記ヘッドはエンジンのシリンダヘッドであり、前記バルブシートは前記シリンダヘッドの弁座を形成する。この第８の発明によれば、圧接によりバルブシートをヘッドに固定できるため、加熱圧入に比較してバルブシートの形状等の設計自由度が向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。
〔第１実施形態〕
図１〜３は、本発明の第１実施形態のバルブシートの接合構造を示す図である。図１は第１実施形態の断面図であって、バルブシートとシリンダヘッドとを接合し、形状加工した後であって機関弁に組み込まれた状態を示す。
【００１６】
図１において、バルブシートの接合構造１は、シリンダヘッド５と、バルブシート６とから構成される。シリンダヘッド５の開口１１の端に圧接により生じた凹部１２が形成され、この凹部１２内にリング状のバルブシート６が嵌入状態で接合されている。バルブシート６の外周に反ヘッド側に向かって縮径する傾斜部（縮径部）２３が形成され、この傾斜部（縮径部）２３の回りに楔状になった固相流動体１４が充填され固化している。以下、本明細書おいて、固相流動体とは、温度上昇により軟化し、固相状態のまま流動可能な状態にあるものを言う。バルブシート６の反ヘッド側（燃焼室側）の内周が４５°に加工され、弁座１５が形成される。このようなバルブシートの接合構造１に於いて、弁体７が、バルブシート６の弁座１５に対して昇降自在に配置されることにより、エンジンの機関弁２が構成される。
【００１７】
図２に、シリンダヘッド５とバルブシート６の接合前の状態が示される。シリンダヘッド５は、アルミニウム合金（例えばＡｌ−Ｓｉ系）の様な軟質金属で形成されている。バルブシート６は、鉄系の合金又はそれら合金の焼結体の様な硬質金属で形成されている。
【００１８】
シリンダヘッド５の接合前の凹部２１は、開口１１の内径Ｄ１より大きな内径Ｄ２を有する有底の第１拡径孔２１１と、第１拡径孔２１１の内径Ｄ２より更に大きな内径Ｄ３を有する有底の第２拡径孔２１２と、これら第１拡径孔２１１と第２拡径孔２１２との間の段部２１３とから形成されている。
【００１９】
バルブシート６は、内径Ｄ５及び最大外径Ｄ７を有し、厚みがＨ５のリング状に形成されている。バルブシート６の外周には、最大外径の頂上２２から反ヘッド側に形成された円錐面状の第１傾斜部（縮径部）２３と、最大外径の頂上２２からヘッド側に形成された円錐面状の第２傾斜部２４とが設けられている。第１傾斜部２３の回りに楔状に固相流動体が充填されるため、第１傾斜部２３の角度αは１０〜１５°とすることが好ましい。第２傾斜部２４は固相流動体を第１傾斜部２３に向けて押し出すため、第２傾斜部２４の角度βは４５°以下とすることが好ましい。
【００２０】
バルブシート６の最大外径Ｄ７は、第１傾斜部２３に向けての固相流動体の流れを良くするため、第２拡径孔２１２の内径Ｄ３より僅かに小さくすることが好ましい。バルブシート６の第２傾斜面２４の底面内径Ｄ６は、第２傾斜面２４が段部２１３の先端に当たるように、第１拡径孔２１１の内径Ｄ２より僅かに小さくすることが好ましい。バルブシート６の内径Ｄ５は、固相流動体の内側へのバリの出方を制御するために、開口１１の内径Ｄ１より僅かに小さくすることが好ましい。バルブシート６の厚みＨ５は、圧接時の押し込み代（アップセット代）を確保するために、凹部２１の深さＨ１よりやや大きくすることが好ましい。
【００２１】
図３に、シリンダヘッド５に対するバルブシート６の圧接の手順が示される。圧接は、押圧回転式の摩擦接合により行われる。図３（ａ）に於いて、シリンダヘッド５の凹部２１内にバルブシート６を嵌め込む。段部２１３の先端が第２傾斜面２４に当たる。この状態で、シリンダヘッド５に向けてバルブシート６を所定の圧力Ｐで押圧する。図３（ｂ）に於いて、バルブシート６を押圧しながら回転させると、段部２１３の先端が固相流動体となって第２傾斜面２４に沿って流れる。
【００２２】
図３（ｃ）に於いて、頂上２２に向かって押し出される固相流動体は、頂上２２を乗り越え、第１傾斜面２３に沿って反ヘッド側に流れる。図３（ｄ）において、バルブシート６のヘッド側底面がシリンダヘッド５の第１拡径孔２１１の底に当たり、第１拡径孔２１１の底に固相流動体が形成されるまで、押圧と回転を続ける。図３（ｅ）に於いて、バルブシート６の回転を止め押圧するアップセット加圧を行う。バルブシート６に当たるシリンダヘッド５の部分が固相流動体となっているため、バルブシート６は更に押し込まれ。溢れた固相流動体が、第１傾斜面２３の回りや開口１１の側に押し出される。
【００２３】
図３（ｅ）の状態で冷却すると、バルブシート６の第１傾斜面２３の回りの固相流動体１４が楔状になって固化する。バルブシート６の外周は固化した固相流動体１４で充填され、物理的に抜けない状態になる。図３（ｆ）に於いて、バルブシート６の内周及び反ヘッド側の表面を加工することにより、余分な固相流動体のバリを取り除く。同時に、バルブシート６の内周の反ヘッド側のコーナーに弁座１５を加工する。これらの形状加工により、所定寸法に仕上がったバルブシート６の接合構造１が得られる。
【００２４】
図３（ｆ）に於いて、バルブシート６の第１傾斜面２３の回りの固相流動体１４の充填が不十分であると、バリ除去後の固相流動体１４に空洞等の欠陥が生じるため、外観検査によって圧接が確実に行われたものだけを選別することが可能になる。
【００２５】
〔第２実施形態〕
図４〜５は、本発明の第２実施形態のバルブシートの接合構造の作成手順を示す図である。図４に、シリンダヘッド５Ａとバルブシート６Ａの接合前の状態が示される。
【００２６】
シリンダヘッド５Ａの凹部３１は、開口１１の内径Ｄ１１より大きな内径Ｄ１３を有し、深さがＨ１１である有底の拡径孔に形成されている。バルブシート６Ａは、内径Ｄ１５及び最大外径Ｄ１７を有し、厚みがＨ１５のリング状に形成されている。バルブシート６Ａの外周には、最大外径の頂上３２から反ヘッド側に形成された円錐面状（角度α）の傾斜部（縮径部）３３が設けられている。
【００２７】
バルブシート６Ａの最大外径Ｄ１７は、傾斜部３３に向けて固相流動体が押し出され易くするため、凹部２１の拡径孔の内径Ｄ１３より僅かに小さくすることが好ましい。バルブシート６Ａの内径Ｄ１５は、固相流動体の開口１１側へのバリの出方を制御するために、開口１１の内径Ｄ１１より僅かに小さくすることが好ましい。バルブシート６Ａの厚みＨ１５は、圧接時の押し込み代を確保するために、凹部３１の深さＨ１１よりやや大きくすることが好ましい。
【００２８】
図５に、シリンダヘッド５Ａに対するバルブシート６Ａの圧接の手順が示される。圧接は、押圧回転式の摩擦接合により行われる。図５（ａ）に於いて、シリンダヘッド５Ａの凹部３１内にバルブシート６Ａを嵌め込む。バルブシート６Ａの底面が凹部３１の底面に当たる。この状態で、シリンダヘッド５Ａに向けてバルブシート６を所定の圧力Ｐで押圧する。図５（ｂ）に於いて、バルブシート６Ａを押圧しながら回転させると、凹部３１の底面が固相流動体となり、頂上２２を乗り越え、傾斜面３３に沿って押し出される。
【００２９】
図５（ｃ）に於いて、バルブシート６Ａの回転を止め、押圧を続ける。バルブシート６Ａに当たるシリンダヘッド５Ａの凹部３１の底面が固体流動体となっているため、バルブシート６Ａは更に押し込まれ。溢れた固相流動体が、傾斜面３３の回りに楔状になって押し出される。図５（ｄ）に於いて、楔状の固相流動体３４は冷却により、シリンダヘッド５Ａの母材と一体になって固化する。バルブシート６Ａの外周は楔状の固相流動体３４で充填され、物理的に抜けない状態になる。図５（ｅ）に於いて、バルブシート６Ａの内周及び反ヘッド側の表面を加工することにより、余分な固相流動体のバリを取り除く。同時に、バルブシート６Ａの内周の反ヘッド側のコーナーに弁座３５を加工する。これらの加工により、所定寸法に仕上がったバルブシート６Ａの接合構造１Ａが得られる。
【００３０】
図５（ｅ）に於いて、バルブシート６Ａの傾斜面３３の回りの固相流動体３４の回り込みが不十分であると、バリ除去後の固相流動体３４に空洞等の欠陥が生じるため、外観検査で圧接が確実に行われたものだけを選別することが可能になる。
【００３１】
〔第３実施形態〕
図６に、第３実施形態に係るシリンダヘッド５Ｂとバルブシート６Ｂの接合前の状態が示される。シリンダヘッド５Ｂの形状は第１実施形態と同様である。バルブシート６Ｂの外周の最大外径部分４１からヘッド側に第１実施形態と同様の傾斜部４３が形成され、最大外径部分４１から反ヘッド側に半円状の縮径部４２が形成されている。バルブシート６Ｂの外周の反ヘッド側は、最大外径部分４１の外径より小径の筒部４４となっており、両者の間に径差εが存在している。
【００３２】
第１実施形態の場合と同様に、傾斜面４３に沿って流れる固相流動体が最大外径部分４１を乗り越え、縮径部４２に充填される。縮径部４２に充填された固相流動体が固化してシリンダヘッド５Ｂの母材と一体になる。また、縮径部４２に充填される固相流動体は径差εからバルブシート６Ｂの反ヘッド側に露出するため、縮径部４２を埋める固相流動体の充満を外観で確認できる。
【００３３】
〔第４実施形態〕
図７に、第４実施形態に係るシリンダヘッド５Ｃとバルブシート６Ｃの接合前の状態が示される。シリンダヘッド５Ｃの形状は第１実施形態と同様である。バルブシート６Ｃの外周の最大外径部分５１からヘッド側に第１実施形態と同様の傾斜部５３が形成され、最大外径部分５１から反ヘッド側に引っ掛かり部となる縮径部５２が形成されている。バルブシート６Ｃの外周の反ヘッド側は、最大外径部分５１の外径より小径の頂上５４となっており、両者の間に径差εが存在している。
【００３４】
第１実施形態の場合と同様に、傾斜面５３に沿って流れる固相流動体が最大外径部分５１を乗り越え、引っ掛かり部となる縮径部５２に充填される。縮径部５２に充填された固相流動体が固化してシリンダヘッド５Ｃの母材と一体になる。また、縮径部５２に充填された固相流動体は径差εからバルブシート６Ｃの反ヘッド側に露出するため、縮径部５２を埋める固相流動体の充満を外観で確認できる。
【００３５】
〔第５実施形態〕
図８に、第５実施形態に係るシリンダヘッド５Ｄとバルブシート６Ｄの接合前の状態が示される。シリンダヘッド５Ｄの形状は、第２拡径孔が有底の円錐孔６０に形成されている以外は、第１実施形態と同様である。バルブシート６Ｄの外周は、第１傾斜部６１と第２傾斜部６２とを有する円錐筒状になっている。第１傾斜部６１と第２傾斜部６２との間に、引っ掛かり部となる円周溝状の縮径部６３が形成されている。縮径部６３はバルブシート６Ｄの最大外径から縮径するものではないが、抜け止めの引っ掛かりとしては十分な段差を有している。また、第１傾斜部６１と第２傾斜部６２との間に径差εが設けられている。
【００３６】
第１実施形態の場合と同様に、第１傾斜面６１に沿って流れる固相流動体が引っ掛かり部となる縮径部６３に充填される。縮径部６３に充填される固相流動体が固化してシリンダヘッド５Ｄの母材と一体になる。また、縮径部６２に充填される固相流動体は径差εからバルブシート６Ｄの反ヘッド側に露出するため、縮径部６２を埋める固相流動体の充満を外観で確認できる。
【００３７】
〔第６実施形態〕
図９に、第６実施形態に係るシリンダヘッド５Ｅとバルブシート６Ｅの接合状態が示される。図９（ａ）は接合前の状態を示す断面図であり、図９（ｂ）は接合後の状態を示す断面図であり、図９（ｃ）は形状加工後の状態を示す断面図である。
【００３８】
図９（ａ）において、シリンダヘッド５Ｅは、開口１１の端に凹部を設ける前加工を一切施さず、鋳造後の形状のままである。バルブシート６Ｅの外周には、最大外径の頂上７２から反ヘッド側に形成された円錐面状の第１傾斜部（縮径部）７３と、最大外径の頂上７２からヘッド側に形成された円錐面状の第２傾斜部７４とが設けられている。バルブシート６Ｅの内周には第３傾斜部７５が設けられ、バルブシート６Ｅの底面に尖った刃７６が形成されている。
【００３９】
図９（ｂ）において、シリンダヘッド５Ｅにバルブシート６Ｅを回転させながら圧接すると、シリンダヘッド５Ｅの開口１１や端面１３から軟質金属の固相流動体が大きくはみ出る。この大量のはみ出しにより、バルブシート６Ｅの第１傾斜部７３回りへの固相流動体の充填が十分となる。図９（ｃ）において、シリンダヘッド５Ｅの内周１１ａとバルブシート６Ｅの内周面７７ａを同時に加工して新たな開口を形成し、シリンダヘッド５Ｅの端部１１ｂとバルブシート６Ｅの反ヘッド側の端部７７ｂを同時に加工して新たな皿状端部を形成し、シリンダヘッド５Ｅの反ヘッド側コーナーを加工して弁座７７ｃを形成する。
【００４０】
図９（ｃ）に於いて、バルブシート６Ｅの傾斜面７３の回りの固相流動体の回り込みによる充填が十分になるとともと、加工後に傾斜面７３の回りの固相流動体の充満状態を外観検査で確認することができる。
【００４１】
〔第７実施形態〕
図１０に、第７実施形態に係るシリンダヘッド５Ｆとバルブシート６Ｆの接合状態が示される。図１０（ａ）は接合前の状態を示す断面図であり、図１０（ｂ）は接合後の状態を示す断面図であり、図８（ｃ）は形状加工後の状態を示す断面図である。
【００４２】
図１０（ａ）において、シリンダヘッド５Ｆは、開口１１の端に、第１拡径孔８１１と第２拡径孔８１２とからなる凹部８１を設ける。バルブシート６Ｆの外周には、頂上８２から反ヘッド側に形成された円錐面状の第１傾斜部（縮径部）８３と、頂上８２からヘッド側に形成された円錐面状の第２傾斜部８４とが設けられている。バルブシート６Ｆの反ヘッド側の端にキャップ部８５が設けられ、第１傾斜部８３の端に顎８５ａが形成されている。頂上８２の外径は第２拡径部８１２の内径にほぼ等しく、キャップ部８５の外径は頂上８２の外径より大きく、両者の間に径差δが存在している。
【００４３】
図１０（ｂ）において、シリンダヘッド５Ｆにバルブシート６Ｆを回転させながら圧接すると、バルブシート６Ｆの第１傾斜部８３に流れ込む軟質金属の固相流動体が顎部８５ａでせき止められ、第１傾斜部８３への固相流動体の楔状の充填が促進される。
【００４４】
図１０（ｃ）において、シリンダヘッド５Ｆの端部１１ｂとバルブシート６Ｆの反ヘッド側の端部８７ｂを同時に加工して新たな皿状端部を形成する。このとき、バルブシート６Ｆのキャップ部８５に相当する部分を除去し、第１傾斜部８３に充填された楔状の固相流動体を露出させる。さらに、リンダヘッド５Ｆの反ヘッド側コーナーを加工して弁座８７ｃを形成する。
【００４５】
図１０（ｃ）に於いて、バルブシート６Ｆの傾斜面８３の回りの固相流動体の充填が十分になるとともと、加工後に傾斜面８３の回りの固相流動体の状態を外観検査で確認することができる。
【００４６】
以上説明した第１〜７実施形態は以下の効果を有する。
（１）第１〜７実施形態において、バルブシートの外周に設けられた縮径部としての傾斜部２３，３３，７３，８３又は引っ掛かり部としての縮径部４２，５２，６３にシリンダヘッドからの固相流動体が隙間無く充填され、この固相流動体がシリンダヘッドの母材と連続して固化しているため、バルブシートはシリンダヘッドに物理的に抜けないように保持された接合になる。そのため、従来接合面の接合強度から採用困難とされてきた摩擦圧接による接合が可能になる。物理的に抜けないような摩擦接合が可能になると、バルブシートの特に接合表面の材質の制限がなくなり、加熱圧入に比較して薄肉形状のバルブシートにすることが可能になり、バルブシートの寸法及び材質の設計自由度を大幅に向上させることができる。
【００４７】
（２）第１〜７実施形態において、バルブシートの外周に設けられた縮径部としての傾斜部２３，３３，７３，８３又は引っ掛かり部としての縮径部４２，５２，６３に充填される固相流動体が傾斜部２３，３３，７３，８３の広がりに応じて又は径差εを経てバルブシートの反ヘッド側の表面に露出するようになっているため、物理的な保持を含む接合の確認が外観で判断できるため、全数の検査が簡単にでき、確実に接合されたものだけを製品とすることができる。
【００４８】
（３）第１〜２，６〜７実施形態において、バルブシートの外周に設けられた縮径部は反ヘッド側に徐々に縮径する傾斜部２３，３３，７３，８３に形成されているため、傾斜部２３，３３，７３，８３の回りに充填される固相流動体が楔状となり、バルブシートが抜けようとすると締まり、バルブシートのシリンダヘッドへの物理的な保持が確実となる。
【００４９】
（４）第１，３〜５実施形態において、バルブシートのヘッド側底面の外周に傾斜部２４，４３，５３，６１が設けられており、この傾斜部２４，４３，５３，６１がシリンダヘッド側の段部２１３（図２参照）に当たって固相流動を生じさせるため、摩擦接合時の当初の押圧力が少なくできる。また、生じた固相流動体が傾斜部２４，４３，５３，６１に沿って縮径部としての傾斜部２３又は引っ掛かり部としての縮径部４２，５２，６３に流れるため、固相流動体による充填が確実に行われる。
【００５０】
（５）第１，２実施形態において、バルブシートの外周の形状が二つの傾斜部の組み合わせ又は一つの傾斜部で形成され、焼結合金等の硬質金属で形成されバルブシート６，６Ａの形状が簡単になる。特に、第２実施形態のバルブシート６Ａの形状は外周に一つの傾斜部しかないため簡単になっている。
【００５１】
（６）第１〜７実施形態において、いずれも摩擦接合により固相流動体を形成しており、電気抵抗溶接の電流管理に比較して、回転数、圧力、押し込み量等の管理しやすい因子であるため、再現性が高く、品質が安定し、生産設備も簡素な機構で済む。
【００５２】
（７）第１〜７実施形態において、摩擦接合により固相流動体を形成するため、バルブシートが押し当てられる母材の部分にも接合時のかき混ぜ効果が及び、バルブシートの周囲の母材の靱性が上がっていることが推定される。その結果、バルブシートを支える母材の機械的特性が向上し、バルブシートの弁開閉時の衝撃に対する耐久性がバルブシート接合構造全体として改善される。特に、エンジンの機関弁では、弁開閉時の衝撃が大きいため、バルブシートの回りに強靱な材料が形成されていることは有利である。
【００５３】
（８）第４，５実施形態において、バルブシート６Ｃ，６Ｄの末広がりの開口に対応し、バルブシート６Ｃ，６Ｄの外周も末広がりとすることができる。この場合、バルブシート６Ｃ，６Ｄの外周に引っ掛かり部となる縮径部５２，６３を設けると、バルブシート６Ｃ，６Ｄのシリンダヘッド５Ｃ，５Ｄへの物理的な保持を含む接合が可能になる。このとき、縮径部５２，６３に充填される固相流動体の反ヘッド側への露出により、充満の度合いが外観で確認できる。
【００５４】
（９）第６実施形態において、バルブシート６Ｅの底面が尖った刃７６になっているため、シリンダヘッド５Ｅの端面１３に押し当てて回転させるときに、シリンダヘッド５Ｅ側に固相流動体を形成せしめる押圧力を低下させることができる。これにより、専用の摩擦圧接機を使用せず、通常のＮＣマシンでの摩擦圧接できる可能性もある。また、シリンダヘッド５Ｅの開口１１の回りに凹部を形成することなく、バルブシート６Ｅを押し込むことにより、大量の固相流動体を発生させ、バルブシート６Ｅの第１傾斜面７３回りの隙間のない楔状固相流動体の形成を確実なものとすることができる。
【００５５】
（１０）第７実施形態において、バルブシート６Ｆの反ヘッド側の端にキャップ部８５を形成することにより、バルブシート６Ｆの第１傾斜面８３回りに流れ込む固相流動体をせき止め、第１傾斜面８３回りの隙間のない楔状固相流動体の形成を確実なものとすることができる。そして、バルブシート６Ｆのキャップ部８５を加工により削り落とすことにより、第１傾斜面８３回りの楔状固相流動体が露出するため、隙間無く充填された楔状固相流動体の存在を外観で検査することができる。
【００５６】
なお、実施の形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように変更して実施してもよい。
（１）第１〜７実施形態において、シリンダヘッドに固相流動体を生じさせる摩擦接合として、押圧回転式のものを用いる場合を説明したが、超音波振動体を押圧する方式の摩擦接合を用いることもできる。この場合、バルブシートに超音波振動するホーンを押しつけることにより、加圧しながら振動させる。
【００５７】
（２）第１〜７実施形態において、シリンダヘッドがアルミニウム合金の軟質金属、バルブシートが焼結合金の硬質金属で形成されている場合を説明したが、シリンダヘッドが鍛造又は鋳造の鉄であって、バルブシートがタングステンカーバイトを含む硬質金属の組み合わせであってよい。シリンダヘッドとバルブシートとの間に軟質及び硬質の差があり、硬質金属の圧接時に軟質金属側に固相流動が生じるような組み合わせであればよい。
【００５８】
（３）第１〜７実施形態において、好ましい適用例として、エンジンの機関弁への適用例を説明したが、開閉を繰り返す弁であって、バルブシートをヘッドの開口に別途取り付けるタイプの弁であれば、本実施形態のバルブシートの接合構造を採用することができる。
【００５９】
（４）第１〜７実施形態において、バルブシートは物理的に保持されるため、異種金属間の接合強度をそれほど必要としないが、異種金属間の接合状態を良好にし、熱伝達係数を上昇させるなどのために、焼結合金製のバルブシートに銅、亜鉛、錫、マグネシウム又はこれらの合金からなる拡散材料を含浸又は／及び被覆しておくこともできる。
【００６０】
（５）第３〜４実施形態において、径差εをゼロにし、縮径部４２，５２への固相流動体を閉じ込めるようにすることもできる。第７実施形態において、キャップ部８５を残す加工を施し、傾斜部８３に充填された固相流動体を閉じ込めることもできる。このとき、縮径部４２，５２或いは傾斜部８３への固相流動体の充填度合いは別途の方法例えば非破壊検査により検査することができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上詳述したように第１の発明によれば、圧接時に生じるヘッド側の固相流動体がバルブシートの縮径部の回りを隙間無く充填し、物理的にバルブシートを固定するため、バルブシートは異種金属間の接合状態に関係なく確実に接合される。また圧接であるため、加熱圧入に比較して、バルブシートの厚みを薄くするなどの設計上の自由度を向上させることができる。
【００６２】
第２の発明によれば、バルブシートの縮径部に充填された固相流動体が外観で確認でき、接合状態の品質管理が確実に行われる。第３の発明によれば、バルブシートの縮径部に充填された固相流動体による接合が確実になる。第４の発明によれば、バルブシートの縮径部に固相流動体が充填されやすく、充填状態の確認も容易にできる。第５の発明によれば、バルブシートの縮径部に充填される固相流動体を十分に送り込める。第６の発明によると、バルブシートの圧接時の当初の押圧力を下げることができる。
【００６３】
第７の発明によると、摩擦圧接により生成される固相流動体により、バルブシートをヘッドに確実に固定できる。第８の発明によると、エンジンのバルブシートに適用すると、厚みを薄くする等のバルブシートの設計自由度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の断面図であって、バルブシートとシリンダヘッドの接合後であって機関弁に組み込まれた状態を示す図である。
【図２】シリンダヘッドとバルブシートの接合前の状態を示す断面図である。
【図３】シリンダヘッドとバルブシートの接合手順を示す断面図である。
【図４】第２実施形態の断面図であって、バルブシートとシリンダヘッドの接合前の状態を示す図である。
【図５】シリンダヘッドとバルブシートの接合手順を示す断面図である。
【図６】第３実施形態の断面図であって、バルブシートとシリンダヘッドの接合前の状態を示す図である。
【図７】第４実施形態の断面図であって、バルブシートとシリンダヘッドの接合前の状態を示す図である。
【図８】第５実施形態の断面図であって、バルブシートとシリンダヘッドの接合前の状態を示す図である。
【図９】第６実施形態の断面図であって、バルブシートとシリンダヘッドの接合前の状態と接合手順を示す図である。
【図１０】第７実施形態の断面図であって、バルブシートとシリンダヘッドの接合前の状態と接合手順を示す図である。
【符号の説明】
１ バルブシートの接合構造
５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅ，５Ｆ シリンダヘッド（ヘッド）
６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄ，６Ｅ，６Ｆ バルブシート
１１ 開口
１４ 楔状の固相流動体
２１３ 段部
２２ 頂上（最大外径部）
２３，３３，７３，８３ 第１傾斜部（縮径部）
２４ 第２傾斜部
４２，５２，６３ 縮径部
７６ 刃（尖った部分）
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの機関弁などにおけるバルブシートをヘッドの開口に接合する構造に関し、特に圧接を用いて物理的に抜けない様に接合したバルブシートの接合構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にエンジンの機関弁におけるバルブシートの接合は、鉄系焼結合金などにより形成されたリング状のバルブシートを、アルミニウム合金製のシリンダヘッドの吸気ポート及び排気ポートの開口周囲の凹部に、加熱圧入することにより行われていた。
【０００３】
この加熱圧入方式では、焼きばめ等の内部応力に耐えるために、リング状のバルブシートを比較的厚肉とする必要がある。そのため、内部応力が少ない溶接等によりバルブシートを接合し、バルブシートの薄肉化を図る試みがなされている。特開平１１−５０８２３号公報に、超音波振動を印加して行う摩擦圧接を用いる方法が提案されている。また、特開平８−２９６４１７号公報や特開２０００−２６３２４１号公報に、電気抵抗溶接を用いる圧接方法が提案されている。
【０００４】
いずれの方法でも、アルミニウム合金のシリンダヘッドと鉄系焼結合金のバルブシートとの異材質間の接合であるため、接合境界部に形成される脆弱な金属間化合物や酸化皮膜により、接合強度が確保できない。そのため、バルブシート自体に、アルミニウム合金に対して拡散性を有する拡散材料を固着又は含浸させたり、ろう材を介在させたりして接合強度を確保することが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述した摩擦圧接や電気抵抗溶接によるバルブシートの接合では、比較的厚みを薄くできるなどの設計上の自由度が確保できるものの、抜け落ちを完全に防止する接合強度が確保できず、未だ実用化に至っていない。
【０００６】
本発明は前記の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、バルブシートがヘッドに対して物理的に保持される接合形状を採用することにより、接合強度を確保するとともに、設計自由度を向上させたバルブシートの接合構造を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成する第１の発明に係るバルブシートの接合構造は、軟質金属製ヘッドの開口にリング状の硬質金属製バルブシートを圧接したバルブシートの接合構造であって、前記バルブシートの外周に縮径部を設け、この縮径部に圧接時に生じる前記軟質金属の固相流動体が充填され固化して成るものである。この第１の発明によれば、圧接時に軟質金属のヘッドに生じる固相流動体がリングの縮径部に流れ込み、縮径部が軟質金属の固相流動体で隙間無く充填され、この固相流動体が固化するとバルブシートはヘッド側に物理的に固定される。
【０００８】
第２の発明に係るバルブシートの接合構造は、第１の発明において、前記縮径部に充填された固相流動体が反ヘッド側に露出している。この第２の発明によれば、反ヘッド側に露出している固相流動体の存在によって、縮径部に固相流動体で充填されていることが確認できる。この固相流動体は圧接後のヘッド及びバルブシートの形状加工時に露出するものであってもよい。
【０００９】
第３の発明に係るバルブシートの接合構造は、第２の発明において、前記縮径部に充填された前記固相流動体が楔状となっている。この第３の発明によれば、バルブシートが楔状の固相流動体によってヘッド側に強固に接合される。
【００１０】
第４の発明に係るバルブシートの接合構造は、第１〜３のいずれかの発明において、前記縮径部は、前記バルブシートの最大外径より反ヘッド側に向かって縮径するものである。この第４の発明によれば、最大外径を乗り越えて固相流動体が縮径部に流れ込み、強固な抜け止めが形成される。この最大外径は圧接後のバルブシートの形状加工時に現れるものであってもよい。
【００１１】
第５の発明に係るバルブシートの接合構造は、第１の発明において、前記バルブシートのヘッド側底面の外周に傾斜部が設けられている。この第５の発明によれば、傾斜部に沿って軟質金属の固相流動体が縮径部に向かって押し出されるように流れ込む。
【００１２】
第６の発明に係るバルブシートの接合構造は、第５の発明において、前記バルブシートのヘッド側底面の外周に傾斜部が設けられている。この第６の発明によれば、圧接時の推力又は押圧力がそれほど大きくなくても、ヘッド側に固相流動体を形成し始める。
【００１３】
第７の発明に係るバルブシートの接合構造は、第１〜６のいずれかの発明において、前記固相流動体は、前記バルブシートを回転させながら前記ヘッドに向けて加圧する摩擦圧接により形成されたものである。この第７の発明によれば、摩擦圧接により、バルブシートのヘッドへの物理的接合に十分な固相流動体が形成される。
【００１４】
第８の発明に係るバルブシートの接合構造は、第１〜７のいずれかの発明において、前記ヘッドはエンジンのシリンダヘッドであり、前記バルブシートは前記シリンダヘッドの弁座を形成する。この第８の発明によれば、圧接によりバルブシートをヘッドに固定できるため、加熱圧入に比較してバルブシートの形状等の設計自由度が向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。
〔第１実施形態〕
図１〜３は、本発明の第１実施形態のバルブシートの接合構造を示す図である。図１は第１実施形態の断面図であって、バルブシートとシリンダヘッドとを接合し、形状加工した後であって機関弁に組み込まれた状態を示す。
【００１６】
図１において、バルブシートの接合構造１は、シリンダヘッド５と、バルブシート６とから構成される。シリンダヘッド５の開口１１の端に圧接により生じた凹部１２が形成され、この凹部１２内にリング状のバルブシート６が嵌入状態で接合されている。バルブシート６の外周に反ヘッド側に向かって縮径する傾斜部（縮径部）２３が形成され、この傾斜部（縮径部）２３の回りに楔状になった固相流動体１４が充填され固化している。以下、本明細書おいて、固相流動体とは、温度上昇により軟化し、固相状態のまま流動可能な状態にあるものを言う。バルブシート６の反ヘッド側（燃焼室側）の内周が４５°に加工され、弁座１５が形成される。このようなバルブシートの接合構造１に於いて、弁体７が、バルブシート６の弁座１５に対して昇降自在に配置されることにより、エンジンの機関弁２が構成される。
【００１７】
図２に、シリンダヘッド５とバルブシート６の接合前の状態が示される。シリンダヘッド５は、アルミニウム合金（例えばＡｌ−Ｓｉ系）の様な軟質金属で形成されている。バルブシート６は、鉄系の合金又はそれら合金の焼結体の様な硬質金属で形成されている。
【００１８】
シリンダヘッド５の接合前の凹部２１は、開口１１の内径Ｄ１より大きな内径Ｄ２を有する有底の第１拡径孔２１１と、第１拡径孔２１１の内径Ｄ２より更に大きな内径Ｄ３を有する有底の第２拡径孔２１２と、これら第１拡径孔２１１と第２拡径孔２１２との間の段部２１３とから形成されている。
【００１９】
バルブシート６は、内径Ｄ５及び最大外径Ｄ７を有し、厚みがＨ５のリング状に形成されている。バルブシート６の外周には、最大外径の頂上２２から反ヘッド側に形成された円錐面状の第１傾斜部（縮径部）２３と、最大外径の頂上２２からヘッド側に形成された円錐面状の第２傾斜部２４とが設けられている。第１傾斜部２３の回りに楔状に固相流動体が充填されるため、第１傾斜部２３の角度αは１０〜１５°とすることが好ましい。第２傾斜部２４は固相流動体を第１傾斜部２３に向けて押し出すため、第２傾斜部２４の角度βは４５°以下とすることが好ましい。
【００２０】
バルブシート６の最大外径Ｄ７は、第１傾斜部２３に向けての固相流動体の流れを良くするため、第２拡径孔２１２の内径Ｄ３より僅かに小さくすることが好ましい。バルブシート６の第２傾斜面２４の底面内径Ｄ６は、第２傾斜面２４が段部２１３の先端に当たるように、第１拡径孔２１１の内径Ｄ２より僅かに小さくすることが好ましい。バルブシート６の内径Ｄ５は、固相流動体の内側へのバリの出方を制御するために、開口１１の内径Ｄ１より僅かに小さくすることが好ましい。バルブシート６の厚みＨ５は、圧接時の押し込み代（アップセット代）を確保するために、凹部２１の深さＨ１よりやや大きくすることが好ましい。
【００２１】
図３に、シリンダヘッド５に対するバルブシート６の圧接の手順が示される。圧接は、押圧回転式の摩擦接合により行われる。図３（ａ）に於いて、シリンダヘッド５の凹部２１内にバルブシート６を嵌め込む。段部２１３の先端が第２傾斜面２４に当たる。この状態で、シリンダヘッド５に向けてバルブシート６を所定の圧力Ｐで押圧する。図３（ｂ）に於いて、バルブシート６を押圧しながら回転させると、段部２１３の先端が固相流動体となって第２傾斜面２４に沿って流れる。
【００２２】
図３（ｃ）に於いて、頂上２２に向かって押し出される固相流動体は、頂上２２を乗り越え、第１傾斜面２３に沿って反ヘッド側に流れる。図３（ｄ）において、バルブシート６のヘッド側底面がシリンダヘッド５の第１拡径孔２１１の底に当たり、第１拡径孔２１１の底に固相流動体が形成されるまで、押圧と回転を続ける。図３（ｅ）に於いて、バルブシート６の回転を止め押圧するアップセット加圧を行う。バルブシート６に当たるシリンダヘッド５の部分が固相流動体となっているため、バルブシート６は更に押し込まれ。溢れた固相流動体が、第１傾斜面２３の回りや開口１１の側に押し出される。
【００２３】
図３（ｅ）の状態で冷却すると、バルブシート６の第１傾斜面２３の回りの固相流動体１４が楔状になって固化する。バルブシート６の外周は固化した固相流動体１４で充填され、物理的に抜けない状態になる。図３（ｆ）に於いて、バルブシート６の内周及び反ヘッド側の表面を加工することにより、余分な固相流動体のバリを取り除く。同時に、バルブシート６の内周の反ヘッド側のコーナーに弁座１５を加工する。これらの形状加工により、所定寸法に仕上がったバルブシート６の接合構造１が得られる。
【００２４】
図３（ｆ）に於いて、バルブシート６の第１傾斜面２３の回りの固相流動体１４の充填が不十分であると、バリ除去後の固相流動体１４に空洞等の欠陥が生じるため、外観検査によって圧接が確実に行われたものだけを選別することが可能になる。
【００２５】
〔第２実施形態〕
図４〜５は、本発明の第２実施形態のバルブシートの接合構造の作成手順を示す図である。図４に、シリンダヘッド５Ａとバルブシート６Ａの接合前の状態が示される。
【００２６】
シリンダヘッド５Ａの凹部３１は、開口１１の内径Ｄ１１より大きな内径Ｄ１３を有し、深さがＨ１１である有底の拡径孔に形成されている。バルブシート６Ａは、内径Ｄ１５及び最大外径Ｄ１７を有し、厚みがＨ１５のリング状に形成されている。バルブシート６Ａの外周には、最大外径の頂上３２から反ヘッド側に形成された円錐面状（角度α）の傾斜部（縮径部）３３が設けられている。
【００２７】
バルブシート６Ａの最大外径Ｄ１７は、傾斜部３３に向けて固相流動体が押し出され易くするため、凹部２１の拡径孔の内径Ｄ１３より僅かに小さくすることが好ましい。バルブシート６Ａの内径Ｄ１５は、固相流動体の開口１１側へのバリの出方を制御するために、開口１１の内径Ｄ１１より僅かに小さくすることが好ましい。バルブシート６Ａの厚みＨ１５は、圧接時の押し込み代を確保するために、凹部３１の深さＨ１１よりやや大きくすることが好ましい。
【００２８】
図５に、シリンダヘッド５Ａに対するバルブシート６Ａの圧接の手順が示される。圧接は、押圧回転式の摩擦接合により行われる。図５（ａ）に於いて、シリンダヘッド５Ａの凹部３１内にバルブシート６Ａを嵌め込む。バルブシート６Ａの底面が凹部３１の底面に当たる。この状態で、シリンダヘッド５Ａに向けてバルブシート６を所定の圧力Ｐで押圧する。図５（ｂ）に於いて、バルブシート６Ａを押圧しながら回転させると、凹部３１の底面が固相流動体となり、頂上２２を乗り越え、傾斜面３３に沿って押し出される。
【００２９】
図５（ｃ）に於いて、バルブシート６Ａの回転を止め、押圧を続ける。バルブシート６Ａに当たるシリンダヘッド５Ａの凹部３１の底面が固体流動体となっているため、バルブシート６Ａは更に押し込まれ。溢れた固相流動体が、傾斜面３３の回りに楔状になって押し出される。図５（ｄ）に於いて、楔状の固相流動体３４は冷却により、シリンダヘッド５Ａの母材と一体になって固化する。バルブシート６Ａの外周は楔状の固相流動体３４で充填され、物理的に抜けない状態になる。図５（ｅ）に於いて、バルブシート６Ａの内周及び反ヘッド側の表面を加工することにより、余分な固相流動体のバリを取り除く。同時に、バルブシート６Ａの内周の反ヘッド側のコーナーに弁座３５を加工する。これらの加工により、所定寸法に仕上がったバルブシート６Ａの接合構造１Ａが得られる。
【００３０】
図５（ｅ）に於いて、バルブシート６Ａの傾斜面３３の回りの固相流動体３４の回り込みが不十分であると、バリ除去後の固相流動体３４に空洞等の欠陥が生じるため、外観検査で圧接が確実に行われたものだけを選別することが可能になる。
【００３１】
〔第３実施形態〕
図６に、第３実施形態に係るシリンダヘッド５Ｂとバルブシート６Ｂの接合前の状態が示される。シリンダヘッド５Ｂの形状は第１実施形態と同様である。バルブシート６Ｂの外周の最大外径部分４１からヘッド側に第１実施形態と同様の傾斜部４３が形成され、最大外径部分４１から反ヘッド側に半円状の縮径部４２が形成されている。バルブシート６Ｂの外周の反ヘッド側は、最大外径部分４１の外径より小径の筒部４４となっており、両者の間に径差εが存在している。
【００３２】
第１実施形態の場合と同様に、傾斜面４３に沿って流れる固相流動体が最大外径部分４１を乗り越え、縮径部４２に充填される。縮径部４２に充填された固相流動体が固化してシリンダヘッド５Ｂの母材と一体になる。また、縮径部４２に充填される固相流動体は径差εからバルブシート６Ｂの反ヘッド側に露出するため、縮径部４２を埋める固相流動体の充満を外観で確認できる。
【００３３】
〔第４実施形態〕
図７に、第４実施形態に係るシリンダヘッド５Ｃとバルブシート６Ｃの接合前の状態が示される。シリンダヘッド５Ｃの形状は第１実施形態と同様である。バルブシート６Ｃの外周の最大外径部分５１からヘッド側に第１実施形態と同様の傾斜部５３が形成され、最大外径部分５１から反ヘッド側に引っ掛かり部となる縮径部５２が形成されている。バルブシート６Ｃの外周の反ヘッド側は、最大外径部分５１の外径より小径の頂上５４となっており、両者の間に径差εが存在している。
【００３４】
第１実施形態の場合と同様に、傾斜面５３に沿って流れる固相流動体が最大外径部分５１を乗り越え、引っ掛かり部となる縮径部５２に充填される。縮径部５２に充填された固相流動体が固化してシリンダヘッド５Ｃの母材と一体になる。また、縮径部５２に充填された固相流動体は径差εからバルブシート６Ｃの反ヘッド側に露出するため、縮径部５２を埋める固相流動体の充満を外観で確認できる。
【００３５】
〔第５実施形態〕
図８に、第５実施形態に係るシリンダヘッド５Ｄとバルブシート６Ｄの接合前の状態が示される。シリンダヘッド５Ｄの形状は、第２拡径孔が有底の円錐孔６０に形成されている以外は、第１実施形態と同様である。バルブシート６Ｄの外周は、第１傾斜部６１と第２傾斜部６２とを有する円錐筒状になっている。第１傾斜部６１と第２傾斜部６２との間に、引っ掛かり部となる円周溝状の縮径部６３が形成されている。縮径部６３はバルブシート６Ｄの最大外径から縮径するものではないが、抜け止めの引っ掛かりとしては十分な段差を有している。また、第１傾斜部６１と第２傾斜部６２との間に径差εが設けられている。
【００３６】
第１実施形態の場合と同様に、第１傾斜面６１に沿って流れる固相流動体が引っ掛かり部となる縮径部６３に充填される。縮径部６３に充填される固相流動体が固化してシリンダヘッド５Ｄの母材と一体になる。また、縮径部６２に充填される固相流動体は径差εからバルブシート６Ｄの反ヘッド側に露出するため、縮径部６２を埋める固相流動体の充満を外観で確認できる。
【００３７】
〔第６実施形態〕
図９に、第６実施形態に係るシリンダヘッド５Ｅとバルブシート６Ｅの接合状態が示される。図９（ａ）は接合前の状態を示す断面図であり、図９（ｂ）は接合後の状態を示す断面図であり、図９（ｃ）は形状加工後の状態を示す断面図である。
【００３８】
図９（ａ）において、シリンダヘッド５Ｅは、開口１１の端に凹部を設ける前加工を一切施さず、鋳造後の形状のままである。バルブシート６Ｅの外周には、最大外径の頂上７２から反ヘッド側に形成された円錐面状の第１傾斜部（縮径部）７３と、最大外径の頂上７２からヘッド側に形成された円錐面状の第２傾斜部７４とが設けられている。バルブシート６Ｅの内周には第３傾斜部７５が設けられ、バルブシート６Ｅの底面に尖った刃７６が形成されている。
【００３９】
図９（ｂ）において、シリンダヘッド５Ｅにバルブシート６Ｅを回転させながら圧接すると、シリンダヘッド５Ｅの開口１１や端面１３から軟質金属の固相流動体が大きくはみ出る。この大量のはみ出しにより、バルブシート６Ｅの第１傾斜部７３回りへの固相流動体の充填が十分となる。図９（ｃ）において、シリンダヘッド５Ｅの内周１１ａとバルブシート６Ｅの内周面７７ａを同時に加工して新たな開口を形成し、シリンダヘッド５Ｅの端部１１ｂとバルブシート６Ｅの反ヘッド側の端部７７ｂを同時に加工して新たな皿状端部を形成し、シリンダヘッド５Ｅの反ヘッド側コーナーを加工して弁座７７ｃを形成する。
【００４０】
図９（ｃ）に於いて、バルブシート６Ｅの傾斜面７３の回りの固相流動体の回り込みによる充填が十分になるとともと、加工後に傾斜面７３の回りの固相流動体の充満状態を外観検査で確認することができる。
【００４１】
〔第７実施形態〕
図１０に、第７実施形態に係るシリンダヘッド５Ｆとバルブシート６Ｆの接合状態が示される。図１０（ａ）は接合前の状態を示す断面図であり、図１０（ｂ）は接合後の状態を示す断面図であり、図８（ｃ）は形状加工後の状態を示す断面図である。
【００４２】
図１０（ａ）において、シリンダヘッド５Ｆは、開口１１の端に、第１拡径孔８１１と第２拡径孔８１２とからなる凹部８１を設ける。バルブシート６Ｆの外周には、頂上８２から反ヘッド側に形成された円錐面状の第１傾斜部（縮径部）８３と、頂上８２からヘッド側に形成された円錐面状の第２傾斜部８４とが設けられている。バルブシート６Ｆの反ヘッド側の端にキャップ部８５が設けられ、第１傾斜部８３の端に顎８５ａが形成されている。頂上８２の外径は第２拡径部８１２の内径にほぼ等しく、キャップ部８５の外径は頂上８２の外径より大きく、両者の間に径差δが存在している。
【００４３】
図１０（ｂ）において、シリンダヘッド５Ｆにバルブシート６Ｆを回転させながら圧接すると、バルブシート６Ｆの第１傾斜部８３に流れ込む軟質金属の固相流動体が顎部８５ａでせき止められ、第１傾斜部８３への固相流動体の楔状の充填が促進される。
【００４４】
図１０（ｃ）において、シリンダヘッド５Ｆの端部１１ｂとバルブシート６Ｆの反ヘッド側の端部８７ｂを同時に加工して新たな皿状端部を形成する。このとき、バルブシート６Ｆのキャップ部８５に相当する部分を除去し、第１傾斜部８３に充填された楔状の固相流動体を露出させる。さらに、リンダヘッド５Ｆの反ヘッド側コーナーを加工して弁座８７ｃを形成する。
【００４５】
図１０（ｃ）に於いて、バルブシート６Ｆの傾斜面８３の回りの固相流動体の充填が十分になるとともと、加工後に傾斜面８３の回りの固相流動体の状態を外観検査で確認することができる。
【００４６】
以上説明した第１〜７実施形態は以下の効果を有する。
（１）第１〜７実施形態において、バルブシートの外周に設けられた縮径部としての傾斜部２３，３３，７３，８３又は引っ掛かり部としての縮径部４２，５２，６３にシリンダヘッドからの固相流動体が隙間無く充填され、この固相流動体がシリンダヘッドの母材と連続して固化しているため、バルブシートはシリンダヘッドに物理的に抜けないように保持された接合になる。そのため、従来接合面の接合強度から採用困難とされてきた摩擦圧接による接合が可能になる。物理的に抜けないような摩擦接合が可能になると、バルブシートの特に接合表面の材質の制限がなくなり、加熱圧入に比較して薄肉形状のバルブシートにすることが可能になり、バルブシートの寸法及び材質の設計自由度を大幅に向上させることができる。
【００４７】
（２）第１〜７実施形態において、バルブシートの外周に設けられた縮径部としての傾斜部２３，３３，７３，８３又は引っ掛かり部としての縮径部４２，５２，６３に充填される固相流動体が傾斜部２３，３３，７３，８３の広がりに応じて又は径差εを経てバルブシートの反ヘッド側の表面に露出するようになっているため、物理的な保持を含む接合の確認が外観で判断できるため、全数の検査が簡単にでき、確実に接合されたものだけを製品とすることができる。
【００４８】
（３）第１〜２，６〜７実施形態において、バルブシートの外周に設けられた縮径部は反ヘッド側に徐々に縮径する傾斜部２３，３３，７３，８３に形成されているため、傾斜部２３，３３，７３，８３の回りに充填される固相流動体が楔状となり、バルブシートが抜けようとすると締まり、バルブシートのシリンダヘッドへの物理的な保持が確実となる。
【００４９】
（４）第１，３〜５実施形態において、バルブシートのヘッド側底面の外周に傾斜部２４，４３，５３，６１が設けられており、この傾斜部２４，４３，５３，６１がシリンダヘッド側の段部２１３（図２参照）に当たって固相流動を生じさせるため、摩擦接合時の当初の押圧力が少なくできる。また、生じた固相流動体が傾斜部２４，４３，５３，６１に沿って縮径部としての傾斜部２３又は引っ掛かり部としての縮径部４２，５２，６３に流れるため、固相流動体による充填が確実に行われる。
【００５０】
（５）第１，２実施形態において、バルブシートの外周の形状が二つの傾斜部の組み合わせ又は一つの傾斜部で形成され、焼結合金等の硬質金属で形成されバルブシート６，６Ａの形状が簡単になる。特に、第２実施形態のバルブシート６Ａの形状は外周に一つの傾斜部しかないため簡単になっている。
【００５１】
（６）第１〜７実施形態において、いずれも摩擦接合により固相流動体を形成しており、電気抵抗溶接の電流管理に比較して、回転数、圧力、押し込み量等の管理しやすい因子であるため、再現性が高く、品質が安定し、生産設備も簡素な機構で済む。
【００５２】
（７）第１〜７実施形態において、摩擦接合により固相流動体を形成するため、バルブシートが押し当てられる母材の部分にも接合時のかき混ぜ効果が及び、バルブシートの周囲の母材の靱性が上がっていることが推定される。その結果、バルブシートを支える母材の機械的特性が向上し、バルブシートの弁開閉時の衝撃に対する耐久性がバルブシート接合構造全体として改善される。特に、エンジンの機関弁では、弁開閉時の衝撃が大きいため、バルブシートの回りに強靱な材料が形成されていることは有利である。
【００５３】
（８）第４，５実施形態において、バルブシート６Ｃ，６Ｄの末広がりの開口に対応し、バルブシート６Ｃ，６Ｄの外周も末広がりとすることができる。この場合、バルブシート６Ｃ，６Ｄの外周に引っ掛かり部となる縮径部５２，６３を設けると、バルブシート６Ｃ，６Ｄのシリンダヘッド５Ｃ，５Ｄへの物理的な保持を含む接合が可能になる。このとき、縮径部５２，６３に充填される固相流動体の反ヘッド側への露出により、充満の度合いが外観で確認できる。
【００５４】
（９）第６実施形態において、バルブシート６Ｅの底面が尖った刃７６になっているため、シリンダヘッド５Ｅの端面１３に押し当てて回転させるときに、シリンダヘッド５Ｅ側に固相流動体を形成せしめる押圧力を低下させることができる。これにより、専用の摩擦圧接機を使用せず、通常のＮＣマシンでの摩擦圧接できる可能性もある。また、シリンダヘッド５Ｅの開口１１の回りに凹部を形成することなく、バルブシート６Ｅを押し込むことにより、大量の固相流動体を発生させ、バルブシート６Ｅの第１傾斜面７３回りの隙間のない楔状固相流動体の形成を確実なものとすることができる。
【００５５】
（１０）第７実施形態において、バルブシート６Ｆの反ヘッド側の端にキャップ部８５を形成することにより、バルブシート６Ｆの第１傾斜面８３回りに流れ込む固相流動体をせき止め、第１傾斜面８３回りの隙間のない楔状固相流動体の形成を確実なものとすることができる。そして、バルブシート６Ｆのキャップ部８５を加工により削り落とすことにより、第１傾斜面８３回りの楔状固相流動体が露出するため、隙間無く充填された楔状固相流動体の存在を外観で検査することができる。
【００５６】
なお、実施の形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように変更して実施してもよい。
（１）第１〜７実施形態において、シリンダヘッドに固相流動体を生じさせる摩擦接合として、押圧回転式のものを用いる場合を説明したが、超音波振動体を押圧する方式の摩擦接合を用いることもできる。この場合、バルブシートに超音波振動するホーンを押しつけることにより、加圧しながら振動させる。
【００５７】
（２）第１〜７実施形態において、シリンダヘッドがアルミニウム合金の軟質金属、バルブシートが焼結合金の硬質金属で形成されている場合を説明したが、シリンダヘッドが鍛造又は鋳造の鉄であって、バルブシートがタングステンカーバイトを含む硬質金属の組み合わせであってよい。シリンダヘッドとバルブシートとの間に軟質及び硬質の差があり、硬質金属の圧接時に軟質金属側に固相流動が生じるような組み合わせであればよい。
【００５８】
（３）第１〜７実施形態において、好ましい適用例として、エンジンの機関弁への適用例を説明したが、開閉を繰り返す弁であって、バルブシートをヘッドの開口に別途取り付けるタイプの弁であれば、本実施形態のバルブシートの接合構造を採用することができる。
【００５９】
（４）第１〜７実施形態において、バルブシートは物理的に保持されるため、異種金属間の接合強度をそれほど必要としないが、異種金属間の接合状態を良好にし、熱伝達係数を上昇させるなどのために、焼結合金製のバルブシートに銅、亜鉛、錫、マグネシウム又はこれらの合金からなる拡散材料を含浸又は／及び被覆しておくこともできる。
【００６０】
（５）第３〜４実施形態において、径差εをゼロにし、縮径部４２，５２への固相流動体を閉じ込めるようにすることもできる。第７実施形態において、キャップ部８５を残す加工を施し、傾斜部８３に充填された固相流動体を閉じ込めることもできる。このとき、縮径部４２，５２或いは傾斜部８３への固相流動体の充填度合いは別途の方法例えば非破壊検査により検査することができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上詳述したように第１の発明によれば、圧接時に生じるヘッド側の固相流動体がバルブシートの縮径部の回りを隙間無く充填し、物理的にバルブシートを固定するため、バルブシートは異種金属間の接合状態に関係なく確実に接合される。また圧接であるため、加熱圧入に比較して、バルブシートの厚みを薄くするなどの設計上の自由度を向上させることができる。
【００６２】
第２の発明によれば、バルブシートの縮径部に充填された固相流動体が外観で確認でき、接合状態の品質管理が確実に行われる。第３の発明によれば、バルブシートの縮径部に充填された固相流動体による接合が確実になる。第４の発明によれば、バルブシートの縮径部に固相流動体が充填されやすく、充填状態の確認も容易にできる。第５の発明によれば、バルブシートの縮径部に充填される固相流動体を十分に送り込める。第６の発明によると、バルブシートの圧接時の当初の押圧力を下げることができる。
【００６３】
第７の発明によると、摩擦圧接により生成される固相流動体により、バルブシートをヘッドに確実に固定できる。第８の発明によると、エンジンのバルブシートに適用すると、厚みを薄くする等のバルブシートの設計自由度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の断面図であって、バルブシートとシリンダヘッドの接合後であって機関弁に組み込まれた状態を示す図である。
【図２】シリンダヘッドとバルブシートの接合前の状態を示す断面図である。
【図３】シリンダヘッドとバルブシートの接合手順を示す断面図である。
【図４】第２実施形態の断面図であって、バルブシートとシリンダヘッドの接合前の状態を示す図である。
【図５】シリンダヘッドとバルブシートの接合手順を示す断面図である。
【図６】第３実施形態の断面図であって、バルブシートとシリンダヘッドの接合前の状態を示す図である。
【図７】第４実施形態の断面図であって、バルブシートとシリンダヘッドの接合前の状態を示す図である。
【図８】第５実施形態の断面図であって、バルブシートとシリンダヘッドの接合前の状態を示す図である。
【図９】第６実施形態の断面図であって、バルブシートとシリンダヘッドの接合前の状態と接合手順を示す図である。
【図１０】第７実施形態の断面図であって、バルブシートとシリンダヘッドの接合前の状態と接合手順を示す図である。
【符号の説明】
１ バルブシートの接合構造
５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅ，５Ｆ シリンダヘッド（ヘッド）
６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄ，６Ｅ，６Ｆ バルブシート
１１ 開口
１４ 楔状の固相流動体
２１３ 段部
２２ 頂上（最大外径部）
２３，３３，７３，８３ 第１傾斜部（縮径部）
２４ 第２傾斜部
４２，５２，６３ 縮径部
７６ 刃（尖った部分）
Claims (7)
- 軟質金属製ヘッドの開口にリング状の硬質金属製バルブシートを圧接したバルブシートの接合構造であって、前記バルブシートの外周に縮径部を設け、この縮径部に圧接時に生じる前記軟質金属の固相流動体が充填され固化して成り、
前記縮径部に充填された固相流動体が反ヘッド側に露出しているバルブシートの接合構造。 - 軟質金属製ヘッドの開口にリング状の硬質金属製バルブシートを圧接したバルブシートの接合構造であって、前記バルブシートの外周に縮径部を設け、この縮径部に圧接時に生じる前記軟質金属の固相流動体が充填され固化して成り、
前記縮径部は、前記バルブシートの最大外径より反ヘッド側に向かって縮径するものであるバルブシートの接合構造。 - 軟質金属製ヘッドの開口にリング状の硬質金属製バルブシートを圧接したバルブシートの接合構造であって、前記バルブシートの外周に縮径部を設け、この縮径部に圧接時に生じる前記軟質金属の固相流動体が充填され固化して成り、
前記バルブシートのヘッド側底面の外周に傾斜部が設けられ、
前記バルブシートのヘッド側底面が尖っているバルブシートの接合構造。 - 前記縮径部に充填された前記固相流動体が楔状となっている請求項１に記載のバルブシートの接合構造。
- 前記縮径部は、前記バルブシートの最大外径より反ヘッド側に向かって縮径するものである請求項１または請求項４に記載のバルブシートの接合構造。
- 前記固相流動体は、前記バルブシートを回転させながら前記ヘッドに向けて加圧する摩擦圧接により形成されたものである請求項１〜５のいずれかに記載のバルブシートの接合構造。
- 前記ヘッドはエンジンのシリンダヘッドであり、前記バルブシートは前記シリンダヘッドの弁座を形成する請求項１〜６のいずれかに記載のバルブシートの接合構造。
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